第4章 数据链路层

4.1使用点对点信道的数据链路层4.2点对点协议PPP4.3使用广播信道的数据链路层4.4使用广播信道的以太网4.5扩展的以太网4.6高速以太网4.7其他类型的高速局域网接口,第4章数据链路层,数据链路层使用的信道类型：点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。（类似于只有两个人环境下的对话）广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。（类似于公共场所的对话）,预备知识,主机H1向H2发送数据,从层次上来看数据的流动,仅从数据链路层观察帧的流动,数据链路层在通信过程中的作用,4.1.1数据链路和帧1、链路和数据链路的概念链路(link)：是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，中间没有任何其他的交换结点。即物理链路。数据链路(datalink)：在一条线路上传送数据时，除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。即逻辑链路。常用方法是使用网络适配器来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。规程和协议是同义语。,4.1使用点对点信道的数据链路层,2、帧及其传送过程数据链路层协议数据单元称为帧。帧的传送过程,数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题是共同的：封装成帧透明传输差错控制,4.1.2数据链路层的三个基本问题,在一段数据的前后分别添加首部和尾部，这就构成了一个帧。帧首部和尾部的作用：进行帧定界；承载必要的控制信息。,1、封装成帧,帧定界方法举例使用特殊的帧定界符当数据部分是可打印的ASCII码组成的文本文件时，帧定界符可以使用特殊的帧定界符。,SOH和EOT都是控制字符的名称，它们的十六进制编码分别为01和04。SOH表示帧的首部的开始，EOT表示帧的结束,问题的提出：当数据部分是非ASCII码的文本文件（如二进制代码的程序或图像）时，数据中的某个字节二进制代码可能恰好和SOH或EOT相同。,2、透明传输,发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是1B)，而接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。这种方法称为字节填充或字符填充。如果转义字符也出现数据当中，那么在转义字符前面再插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。,解决透明传输问题的方法,用字节填充法解决透明传输的问题举例,在传输过程中可能会产生比特差错：1可能会变成0而0也可能变成1。（传输差错的一种）在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率BER(BitErrorRate)。误码率与信噪比有很大的关系。为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。,3、差错检测,在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术。在发送端，先把数据划分为组。假定每组k个比特。假设待传送的一组数据M=101001（现在k=6）。我们在M的后面再添加供差错检测用的n位冗余码一起发送。,循环冗余检验的原理,冗余码的计算用二进制的模2运算进行2n乘M的运算，这相当于在M后面添加n个0。得到的(k+n)位的数除以事先选定好的长度为(n+1)位的除数P，得出商是Q，而余数是R，余数R比除数P少1位，即R是n位。R即所求冗余码。,冗余码的计算举例现在M=101001,k=6。设n=3,除数P=1101。被除数是2nM=101001000。模2运算的结果是：商Q=110101，余数R=001。把余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去。发送的数据是：2nM+R即：101001001，共(k+n)位。,帧检验序列FCS在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS(FrameCheckSequence)。循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同。CRC是一种常用的检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码。FCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非用来获得FCS的唯一方法。,接收端对收到的每一帧进行CRC检验若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。若余数R0，则判定这个帧有差错，就丢弃。这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。CRC检验余数为0并不一定真的没有差错。但只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。,仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。,需要注意的问题,4.2.1PPP协议的特点现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议PPP(Point-to-PointProtocol)。用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP协议。,4.2点对点协议PPP,简单封装成帧保证数据传输透明性支持多种网络层协议支持多种类型链路差错检测自动检测链路工作状态对不同链路规定MTU协商和配置对等网络层地址协商所用数据压缩算法,1、IETF认为PPP协议应满足的需求,纠错。可靠性由运输层TCP负责；流量控制。流量控制由TCP负责；序号。非可靠传输协议，无需使用序号；多点线路。不支持，只支持点对点链路；半双工或单工链路。只支持全双工链路。,2、PPP协议不需要的功能,1992年制订了PPP协议。经过1993年和1994年的修订，PPP协议已成为因特网的正式标准RFC1661。PPP协议有三个组成部分一个将IP数据报封装到串行链路的方法。链路控制协议LCP：建立、配置和测试链路连接，通信的双方可以协商一些选项。网络控制协议NCP：每一NCP支持不同网络层协议，如IP、OSI的网络层、DECnet等。,3、PPP协议的组成,1、字段的意义,4.2.2PPP协议的帧格式,标志字段F=0 x7E标志字段就是PPP帧的定界符，表示一帧开始或结束。连续的两帧之间只需一个标志字段。若连续出现两个标志字段，表示这是一个空帧，应该丢弃。,1、字段的意义,4.2.2PPP协议的帧格式,地址字段A只置为0 xFF。地址字段实际上并不起作用。控制字段C通常置为0 x03。,1、字段的意义,4.2.2PPP协议的帧格式,协议字段有2字节,指明信息字段数据的含义。若是0 x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。若是0 xC021,则信息字段是PPP链路控制数据。若是0 x8021，则表示这是网络控制数据。,1、字段的意义,4.2.2PPP协议的帧格式,信息字段长度可变，但不超过1500字节。FCS是使用CRC的帧检验序列，占2个字节。,2、透明传输问题当PPP用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和HDLC的做法一样）。当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。,PPP协议用在SONET/SDH链路时，是使用同步传输。这时PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输。零比特填充法在发送端，先扫描整个信息字段，只要发现有5个连续1，则立即填入一个0，从而保证信息字段不会出现6个连续1。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就把这5个连续1后的一个0删除，以还原成原来的信息比特流。,（1）零比特填充,零比特填充举例,将信息字段中出现的每一个0 x7E字节转变成为2字节序列(0 x7D,0 x5E)。若信息字段中出现一个0 x7D的字节,则将其转变成为2字节序列(0 x7D,0 x5D)。若信息字段中出现ASCII码的控制字符（即数值小于0 x20的字符），则在该字符前面要加入一个0 x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。,（2）字符填充,Afewexamplesmaymakethismoreclear.Escapeddataistransmittedonthelinkasfollows:0 x7eisencodedas0 x7d,0 x5e.(FlagSequence)0 x7disencodedas0 x7d,0 x5d.(ControlEscape)0 x03isencodedas0 x7d,0 x23.(ETX),摘自RFC1662的有关内容,当用户拨号接入ISP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。PC机向ISP发送一系列的LCP分组（封装成PPP帧，首部协议字段为0 xC021）。这些分组及其响应携带了一些PPP参数。接着NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回分配出去的IP地址。LCP释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。,4.2.3PPP协议的工作状态,4.2.3PPP协议的工作状态,4.3.1局域网的数据链路层1、局域网最主要的特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。2、局域网的主要优点具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。提高了系统的可靠性、可用性和生存性。,4.3使用广播信道的数据链路层,3、局域网的拓扑,4、媒体共享技术静态划分信道频分复用时分复用波分复用码分复用动态媒体接入控制（多点接入）随机接入受控接入，如分散控制的令牌环网、集中控制的多点线路探询，或轮询。,（1）以太网标准的形成1975年XEROX公司研制成功以太网。1980年DEC、INTEL、XEROX联合提出10Mb/s以太网规约V1。1982年修改为DIXEthernetV2，成为世界上第一个局域网产品的规约。1983年IEEE的802.3工作组制定第一个IEEE以太网标准802.3，数据率为10Mb/s。DIXEthernetV2标准与IEEE的802.3标准只有很小的差别，因此可以将802.3局域网简称为“以太网”。严格说来，“以太网”是指符合DIXEthernetV2标准的局域网。,5、以太网的两个标准,（2）802委员会对局域网的数据链路层的细分为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802委员会将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层媒体接入控制MAC(MediumAccessControl)子层。与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的。,IEEE802局域网体系结构,局域网,网络层,物理层,站点1,网络层,物理层,数据链路层,站点2,LLC子层看不见下面的局域网,由于TCP/IP体系经常使用的局域网是DIXEthernetV2，而不是802.3标准中的几种局域网，因此现在802委员会制定的逻辑链路控制子层LLC（即802.2标准）的作用已经不大了。很多厂商生产的适配器上就仅装有MAC协议而没有LLC协议。,6、适配器的作用网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡NIC(NetworkInterfaceCard)，或“网卡”。适配器的重要功能：进行串行/并行转换。对数据进行缓存。实现以太网协议。,6、适配器的作用,至局域网,适配器（网卡）,串行通信,CPU和存储器,计算机,并行通信,最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。,4.3.2CSMA/CD协议,B向D发送数据,C,D,A,E,匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）,匹配电阻,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有D接受B发送的数据,为了通信的简便以太网采取的两种重要的措施（1）采用较为灵活的无连接的工作方式。发送端不必先建立连接就可以直接发送数据，对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据就进行重传，以太网则把这个重传的帧当作一个新的数据帧来发送。以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。,为了通信的简便以太网采取的两种重要的措施（2）以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号,协调总线上各计算机的工作的协议CSMA/CDCSMA/CD：CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。总线上并没有什么“载波”。因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。,协调总线上各计算机的工作的协议CSMA/CD“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。,协调总线上各计算机的工作的协议CSMA/CD检测到碰撞后的处理在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。,当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。A向B发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到B。（传播时延）B若在A发送的信息到达B之前发送自己的帧(因为这时B的载波监听检测不到A所发送的信息)，则必然要在某个时间和A发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。,1km,A,B,t,t=0,单程端到端传播时延记为,t=B检测到信道空闲发送数据,t=/2发生碰撞,A,B,A,B,t=0A检测到信道空闲发送数据,A,B,A,B,以太网的重要特性使用CSMA/CD协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。,争用期最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间2（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延2称为争用期，或碰撞窗口。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。,二进制指数类型退避算法确定基本退避时间，它就是争用期2。定义参数k，k=Min重传次数,10从整数集合0,1,(2k1)中随机地取出一个数，记为r。重传所需的时延就是r倍的基本退避时间。当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。,发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。这个“随机时间”如何确定呢？,以太网争用期的长度以太网取51.2s（512比特时间）为争用期的长度。对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。以太网在发送数据时，若前64字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。,最短有效帧长如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节。以太网规定了最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。,强化碰撞当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，就立即停止发送数据;再继续发送若干比特的人为干扰信号(jammingsignal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。,A,B,t,信道占用时间,B也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出A发送干扰信号的情况。,以太网的帧间最小间隔以太网规定帧间最小间隔为9.6s，相当于96比特时间。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6s才能再次发送数据,（1）适配器从网络层获得一个分组，加上以太网的首部和尾部，组成以太网帧，放入适配器的缓存中，准备发送。（2）若适配器检测到信道空闲（即在96比特时间内没有检测到信道上有信号），就发送这个帧。若检测到信道忙，则继续检测并等信道转为空闲，然后发送这个帧。（3）在发送过程中继续检测信道，若一直未检测到碰撞，就顺利把这个帧成功发送完毕。若检测到碰撞，则中止数据的发送，并发送人为干扰信号。（4）在中止发送后，适配器就执行指数退避算法，等待r倍的512比特时间后，返回到步骤（2）。,CSMA/CD协议要点归纳,4.4.1使用集线器的星形拓扑传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)。集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。,4.4使用广播信道的以太网,使用集线器的双绞线以太网,星形以太网10BASE-T1990年IEEE制定出星形以太网10BASE-T的标准802.3i。（传统总线以太网标准是802.3）10BASE-T的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m。这种10Mb/s速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。10BASE-T双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。,数据率10Mb/s,链路上的信号是基带信号,表示双绞线,10BASE-T,集线器的特点：集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线。（因此10BASE-T又称为星形总线或盒中总线）集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。有很多接口，每个接口就像转发器一样简单地转发比特。集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。,具有三个接口的集线器示意图,集线器,网卡,工作站,网卡,工作站,网卡,工作站,双绞线,定义为以太网的信道被占用的情况，公式表示为：其中：T0表示发送一帧的发送时延；Tav表示发送一帧所需的平均时间假定：争用期长度为2，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。帧长为L(bit)，数据发送速率为C(b/s)，则帧的发送时间为T0=L/C(s)。,4.4.2以太网的信道利用率,(3-1),一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间使得信道上无信号在传播)时为止，是发送一帧所需的平均时间Tav。,Tav=2Nr+T0+,2,2,信道利用率为：要提高以太网的信道利用率，就必须减小与T0之比。在以太网中定义了参数a，它是以太网单程端到端时延与帧的发送时间T0之比：a0表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高。a越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。,以太网参数a反映出：当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则的数值会太大。以太网的帧长不能太短，否则T0的值会太小，使a值太大。,信道利用率的最大值Smax在理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞，即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。发送一帧占用线路的时间是T0+，而帧本身的发送时间是T0。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率Smax为：,(3-3),1.MAC层的硬件地址在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或是MAC地址。802标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。（MAC地址与所在地无关）但鉴于大家都早已习惯了将这种48位的“名字”称为“地址”，所以教材也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。,4.4.3以太网的MAC层,IEEE的注册管理机构RA负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位24位)，这三个字节构成的号码称为机构(组织)唯一标识符OUI，或公司标识符。每个OUI代表了一个地址块，一个地址块可以生成224个不同的地址。地址字段中的后三个字节(即低位24位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，该厂家须保证生产出的适配器没有重复地址。用上述方式得到的48位地址称为MAC-48，它的通用名称是EUI-48，这里EUI表示扩展的唯一标识符。“MAC地址”实为适配器地址或适配器标识符EUI-48。,48位的MAC地址,I/G比特1:组地址0:单个地址,G/L比特1:全球管理0:本地管理,I/G比特1:组地址0:单个地址,G/L比特1:全球管理0:本地管理,适配器从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址，如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。“发往本站的帧”包括以下三种帧：单播(unicast)帧（一对一，I/G比特为0）广播(broadcast)帧（一对全体，全1地址）多播(multicast)帧（一对多，I/G比特为1）只有目的地址才能使用广播地址和多播地址！,常用的以太网MAC帧格式有两种标准：DIXEthernetV2标准IEEE的802.3标准最常用的MAC帧是以太网V2的格式,2.MAC帧的格式,以太网V2的MAC帧格式,目的地址字段6字节,以太网V2的MAC帧格式,源地址字段6字节,以太网V2的MAC帧格式,类型字段2字节,类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。例如：类型字段值为0 x0800：表示上层使用的是IP数据报；类型字段值为0 x8137：表示该帧是由NovellIPX发过来的。,以太网V2的MAC帧格式,数据字段461500字节,数据字段的正式名称是MAC客户数据字段最小长度64字节18字节的首部和尾部=数据字段的最小长度,当数据字段的长度小于46字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的MAC帧长不小于64字节。,以太网V2的MAC帧格式,FCS字段4字节,当传输媒体的误码率为1108时，MAC子层可使未检测到的差错小于11014。,以太网V2的MAC帧格式,为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节。,在帧的前面插入的8字节中的第一个字段共7个字节，是前同步码，用来迅速实现MAC帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC帧。,无效MAC帧帧的长度不是整数个字节；用收到的帧检验序列FCS查出有差错；数据字段的长度不在461500字节之间。无效帧的处理对于检查出的无效MAC帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。,3、无效的MAC帧及其处理,4.5.1在物理层扩展局域网一、利用光纤延长主机到集线器距离主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器,4.5扩展的局域网,二、用多级集线器扩展局域网例如：某大学有三个系，各自有一个局域网,用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中,一系,二系,三系,碰撞域,用集线器扩展局域网的优缺点（1）优点使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。扩大了局域网覆盖的地理范围。（2）缺点碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同以太网技术，那么就不能用集线器将它们互连起来。,在数据链路层扩展局域网是使用网桥。网桥工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口。,4.5.2在数据链路层扩展局域网,1、网桥的内部结构,使用网桥带来的好处过滤通信量，增大吞吐量。扩大了物理范围。提高了可靠性。可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率（如10Mb/s和100Mb/s以太网）的局域网。,使用网桥带来的缺点存储转发和CSMA/CD算法增加了时延。在MAC子层无流量控制功能，网络负荷很重时，网桥中的缓存空间可能不够而溢出，导致丢帧。网桥只适合于用户数不太多和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。,用户层,IP,MAC,站1,用户层,IP,MAC,站2,物理层,网桥1,网桥2,A,B,用户数据,IP-H,MAC-H,MAC-T,DL-H,DL-T,物理层,DL,R,MAC,物理层,物理层,DL,R,物理层,物理层,LAN,LAN,两个网桥之间还可使用一段点到点链路,网桥不改变它转发的帧的源地址,网桥和集线器（或转发器）不同集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。网桥在转发帧之前必须执行CSMA/CD算法。若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送并进行退避。,2、透明网桥目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparentbridge)。“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。透明网桥是一种即插即用设备，其标准是IEEE802.1D。,透明网桥采用的自学习算法若从A发出的帧从接口x进入了某网桥，则从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到A。网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目。在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。,转发表的建立过程举例,地址接口,B2,B1,A,B,C,D,E,F,1,2,1,2,地址接口,B1,BA,AB,A1,FC,F2,A1,F2,在网桥的转发表中写入的信息除了地址和接口外，还有帧进入该网桥的时间。这是因为：这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化，使得网桥转发表中保留的网络拓扑信息成为“过时的”。若把每个帧到达网桥的时间登记下来，而网桥中的接口管理软件周期性的扫描转发表中的项目，删除一定时间以前登记的项目，这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。,网桥的自学习和转发帧的步骤归纳网桥收到一帧后先进行自学习。查转发表中与收到帧的源地址有无匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。如有，则把原有的项目进行更新。转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。如没有，则通过所有其他接口进行转发。如有，且对应转发表中的接口不是该帧进入网桥的接口，则按转发表中的接口进行转发；否则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。,使用透明网桥扩展局域网的回路问题,局域网2,局域网1,网桥2,网桥1,A,F,不停地兜圈子,A发出的帧,网络资源白白消耗了,为了避免转发的帧在网络中不断地兜圈子，透明网桥使用了生成树算法。互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集。这个子集里，整个连通的网络不存在回路，即在任何两个站之间只存在一条路径。,3、源路由网桥源路由网桥：由发送帧的源站负责路由选择。源站在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。源站获取路由信息方法：源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧作为探测之用。传送过程中，每个发现帧都记录所经过的路由。发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。,4、多接口网桥以太网交换机1990年问世的交换式集线器(switchinghub)，也常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。以太网交换机通常都有十几个接口。因此，以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，同工作在物理层的转发器和集线器有很大差别。,以太网交换机的特点以太网交换机的每个接口都直接与一个主机或另一个集线器相连，并且一般都工作在全双工方式。以太网交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。以太网交换机也是即插即用设备，转发表也是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。以太网交换机使用了专用的交换结构芯片，其交换速率较高。,使用以太网交换机的以太网总带宽分析对于普通10Mb/s的共享式以太网，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10Mb/s)的N分之一。使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是10Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体带宽，因此对于拥有N对接口的交换机，其总容量为N10Mb/s。这正是交换机的最大优点。,使用以太网交换机扩展局域网非常方便从共享总线以太网或10BASE-T以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件、硬件和适配器都不需要作任何改动，所有接入的设备继续使用CSMA/CD协议。只要增加集线器的容量，整个系统的容量是很容易扩充的。以太网交换机一般具有多种速率的接口，大大方便了各种不同情况的用户。,用以太网交换机扩展局域网举例,利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网虚拟局域网VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。这些网段具有某些共同的需求。每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个VLAN。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟局域网:VLAN1,VLAN2和VLAN3,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3的构成,当B1向VLAN2工作组内成员发送数据时，工作站B2和B3将会收到广播的信息，而工作站A1,A2和C1都不会收到B1发出的广播信息。,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3的构成,虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。,虚拟局域网使用的以太网帧格式（IEEE的802.3ac）虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为VLAN标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。,4.6.1100BASE-T以太网速率达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网。100BASE-T是在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议，又称为快速以太网(FastEthernet)。1995年IEEE将100BASE-T定为正式标准，标准代号为IEEE802.3u。,4.6高速以太网,100BASE-T以太网的特点可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，CSMA/CD协议对全双工方式工作的快速以太网不起作用。MAC帧格式仍然是802.3标准规定的帧格式。保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到100m。（使参数a保持不变）帧间时间间隔从原来的9.6s改为现在的0.96s。,IEEE802.3u规定了三种不同的物理层标准100BASE-TX使用2对UTP5类线或屏蔽双绞线STP，一对用于发送，一对用于接收。100BASE-FX使用2根光纤。一根用于发送，一根用于接收。100BASE-T4使用4对UTP3类线或5类线。3对用于传送数据，1对用于碰撞检测。,又称为千兆以太网，